기술 자료실

안녕하세요, KOLAS 인정 국가교정기관 한국캘랩입니다 :)

오늘은 전자파 분야 중 LCR 미터의 교정에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

LCR 미터 및 관련 용어 정의

1. LCR 미터의 정의 및 측정 원리



LCR 미터는 임피던스(Impedance)라고 불리는 물리량을 측정하는 측정기로, 신호전압 Vs를 가해주면 임피던스 Z에 의해 전류 I가 흐르게 됩니다. 

<LCR Meter 측정원리> / 출처: HIOKI (LCR 미터 / 임피던스 아날라이저 : 사용방법)



2. L(H): 인덕턴스(Inductance)의 단위

권선이나 코일에는 그 주위나 내부를 통하는 자속의 변화를 방해하는 작용이 있으며, 이 작용의 세기를 나타내는 값을 인덕턴스라 합니다. 또 자속이 코일 자신의 전류에 의한 것일 때는 자기 인덕턴스라 하고, 다른 권선이나 코일의 전류에 의한 것일 때는 상호 인덕턴스라 합니다. 이들의 크기단위는 헨리이며, 기호는 H로 표시합니다. 인덕턴스는 권선을 흐르는 전류 대비 권선과 쇄교^*하는 자속수의 비율로 정의되는 양이며, 또한 권선으로 흐르는 전류의 시간 변화량과 권선 양단에 발생하는 기전력의 비로서도 표시할 수 있습니다.

* 쇄교: 코일에 흐르는 전류에 의해서 생긴 자기력선이 코일과 교차하는 것



3. C(F): 용량(Capacitance)의 단위

절연된 도체 사이에 전위를 주면 전하를 축적하게 되는데, 이 전하를 축적하는 용량의 세기를 나타내는 값을 커패시턴스라 합니다. 1V의 전위를 주었을 때 1C의 전하를 축적하는 정전용량을 1패럿이라 하고, 기호는 F로 표시합니다.

4. R(Ω): 저항(Resistance)의 단위

도체에 전류가 흐르는 것을 방해하는 작용을 말하며, 단위는 옴이며 기호는 Ω으로 표시합니다. 1Ω이란 2점간의 전압이 1V일 때, 1A의 전류를 흐르게 하는 두 점간의 저항을 말합니다.

5. Z: 임피던스 (Impedance)

전기회로에 교류를 흘렸을 경우에 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값입니다. 즉 임피던스는 주파수에 관계 없는 저항 R과 주파수에 따라 크기가 변화하는 유도 리액턴스, 용량 리액턴스의 합성저항을 의미합니다.



LCR 미터의 측정 방법 

1. 공통

시료를 측정하기 전 (Open / Short) Calibration을 진행 후 측정합니다.

* 단, 다음과 같은 특정 사항에 해당하는 경우, Calibration은 생략 됩니다.

-업체 요구사항으로 측정값 변동이 이루어 지면 안 될 경우

-해당 시료 자체 성능이 Calibration이 안 될 경우

2. 2단자 (2-terminal) 교정

<2단자 교정 방법>

출처: KASTO (LCR Meter의 표준교정절차 : 11-40418-158)



먼저, LCR Meter의 측정 단자와 피측정 시료 간의 도선 길이는 가능하면 최단 길이가 되도록 합니다. 이때, 측정 리드선이 shield cable(도선에 외측도체가 포함)이 아니므로 외부의 자계, 두 선간의 부유 용량(stray capacitance)으로 인하여 측정에서 오차가 발생할 수 있습니다. 또한, 2단자 측정은 정확도가 중요하지 않은 소자의 대략적인 값을 알고자 할 때 이용됩니다.



3. 3단자 (3-terminal) 교정



<3단자 교정 방법>

출처: KASTO (LCR Meter의 표준교정절차 : 11-40418-158)



먼저, 위 그림과 같이 동축 케이블(coaxial cable)의 외측도체(차폐망)를 LCR Meter의 접지에 연결합니다. 3단자를 측정할 때, 시료에 인접하는 도체 사이에서 나타날 수 있는 부유 용량(stray capacitance)의 영향을 동축 케이블을 사용함으로써 줄일 수 있으며 저저항 측정에서 정확도가 낮아지게 됩니다.

4. 4단자 (4-terminal) 교정

<4단자 교정 방법> / 출처: KASTO (LCR Meter의 표준교정절차 : 11-40418-158)

4단자 교정은 저 임피던스 측정에 적합한 교정 방법입니다. 이는, 전류공급선(current lead)과 측정 감지선(potential lead)을 분리하므로 측정도선의 저항값이나 측정 시료에 대한 접촉 저항으로부터 기인되는 오차를 줄일 수가 있어 정밀 측정에 많이 이용되고 있는 방법입니다. 특히 위 그림과 같이 연결 측정하면 상호 인덕턴스의 영향을 줄일 수 있으며 대용량, 저저항 측정에 사용됩니다.

5. 5단자 (5-terminal) 교정



<5단자 교정 방법>

출처: KASTO (LCR Meter의 표준교정절차 : 11-40418-158)



5단자 교정은 Shield Line을 사용하므로 측정 도선과 인접 도체 사이에서 발생할 수 있는 부유 정전 용량(stray capacitance) 또는 측정 도선의 저항 성분이나 잔류유도 성분(residual inductance)으로부터 기인되는 측정오차를 제거할 수 있습니다. 또한, 이 교정법은 광범위의 측정과 정밀 측정에 많이 사용됩니다.



LCR 미터의 종류

LCR 미터의 종류는 크게 스탠드형과 휴대형으로 나뉩니다. 위에서 설명하였듯 터미널 방식에 따라 (2, 3, 4, 5) 단자의 측정방법이 달라집니다.



<스탠드형 LCR미터(HIOKI 3533)>

출처: Keysight (LCR 미터 : 캐패시턴스 측정)



<휴대형 LCR미터 (Keysight U1733C)>

출처: Keysight (LCR 미터: 캐패시턴스 측정)



캐패시터(C) 측정시 LCR 미터와 Digital Multimter(DMM) 측정 결과 차이

결론적으로 같은 캐패시턴스를 측정하면, LCR 미터가 DMM보다 정확합니다. 이유는 LCR 미터에서는 같은 C 측정시 다양한 주파수를 설정하여 소자를 측정하는 기능을 제공하여 결과값이 더 정확하기 때문입니다. 반면 DMM의 경우는 알려진 전류를 공급하여 C를 충전한 다음 저항을 연결하여 방전시켜서 C값을 측정하는 방식을 이용합니다.

<LCR Meter와 DMM의 측정 결과 차이> / 출처: Keysight (LCR 미터 : 캐패시턴스 측정)



C를 측정할 때 높은 손실계수 또는 특성이 좋지 않은 캐패시턴스는 측정에 영향을 주게 됩니다. 또한 시정수(유전흡수)가 긴 C는 측정 정착시간을 느리게하며 안정화하는 데 많은 시간이 걸리게 됩니다. 일반적으로 고품질 필름 C는 이러한 현상이 가장 적고, 전해 C는 가장 크게 나타나며 세라믹 C는 중간 정도로 나타납니다.